强亲水型钻井液表面作用规律研究

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1、强亲水型钻井液表面作用规律研究摘要：采用一种表面化学原理即润湿反转原理改变井底岩石被钻岩屑破碎坑所在孔隙、裂隙由弱亲水性质转化为强亲水性质，以使钻井液滤液更快地进入破碎坑中，从而降低井底岩屑上的压持作用压力，达到钻井液辅助提高钻速的作用。因此，研究强亲水型钻井液表面作用规律分析十分必要。关键词：润湿反转作用原理钻井液体系钻井液中固相含量及其分散性是影响机械钻速的一个重要原因，当钻井液的固相含量为零时（即清水钻进）钻速最快，随着固相含量增大钻速显著下降，而钻井液中小于lum的亚微米颗粒要比大于lum的颗粒对钻速的影响大约为12倍；钻井液中小于lym的亚微米颗粒越多，所造成钻速下降的幅度就越大。显

2、然，快速钻进钻井液应有好的流变性、润湿性、低固相含量及合适的分散性。在水基钻井液中通过添加自制快钻剂来提高钻速的机理是在钻井液原有的流变性、固相含量及分散性的基础上，大大改善其润滑性，从而降低扭矩以及井底岩石毛细管阻力来实现的。快钻剂能在钻头金属表面形成一层憎水性的薄膜，起到润湿反转作用，以防止亲水性的钻屑粘附于钻头［1］。发生泥包效应而降低钻井速度。本文采用润湿反转剂KZ-1这种表面活性剂。对其改变岩石亲水性的表面张力规律进行分析。一、钻井液滤液在井底岩石作用接触角采用2.5润湿接触角测量方法对不同KZ-1加量的钻井液滤液在温度为25*下进行润湿接触角测量。分别配置含KZ-1,0.1%、0.

3、3%、0.5%、0.8%、1.0%的钻井液体系，通过API失水压得滤液，对所得滤液进行润湿接触角测量，结果如下。由图1看出随着KZ-1量的加大，其润湿接触角呈现上升趋势。在KZ-1的cmc浓度附近达到稳定值280o随着浓度继续加大，曲线继续上升，但走势略缓。其润湿反转性能有所降低。可以得出在快钻剂加入量为其cmc浓度附近，钻井液体系滤液对井壁岩石的润湿接触角趋于稳定，井壁岩石由弱亲水转化为强亲水状态。二、钻井液滤液在泥页岩表面吸附特征表面活性剂分子在液/气、液/液、液/固界面上的吸附状态和分子取向，在诸如润湿、乳化、分散等应用领域起着决定性的作用，目前对低分子表面活性剂在界面上的吸附研究较为深

4、入。与低分子表面活性剂不同，高分子表面活性剂分子链节较多，易在界面上形成稳定的膜。同时与均聚物的吸附状况也不同，由于双亲性结构中亲水或疏水作用易导致多层吸附发生，使吸附量较大。有关聚瞇型表面活性剂分子界面取向的研究已有报导，但其分子量较小，分子结构亦不复杂。对于大分子量的高分子表面活性剂，由于分子链长，结构复杂，对其在界面上的吸附状态少有报导。由于溶液中的表面活性剂存在疏水作用，尽管在亲水头的作用下它们能够溶于水相，但疏水基仍会自发从发从水环境中逃离并向界面迁移，将疏水基伸入另一相中形成定向吸附。当溶液表面达到饱和吸附后，溶液中的表面活性剂不可能进一步向界面上迁移，此时则必须以另一种方式来满足

5、疏水作用的要求。一般认为当表面活性剂吸附达到饱和后，为了满足表面活性剂分子的疏水基力图从水环境中逃离的热力学趋势，这些表面活性剂的疏水基常常在溶液相中自发缔合起来，以消除围绕在疏水基周围的水分子对疏水基的影响［2,3］。这种自发缔合的结果将导致表面活性剂分子形成亲水基朝向水相，疏水基聚集在中央的束状或球状团簇结构，这种团簇结构便被成为胶束如图2所示。一旦表面活性剂在溶液中形成胶束，所有过剩的表面活性剂便从水化固体或单体状态转变为团簇状态，溶液的性能也便随之发生突变［5］。由于表面活性剂胶束是胶体尺寸的粒子，故溶液的性质便表现出胶体溶液的性质，因而不同于前述的表面活性［4,5］o尽管导致胶束化以

6、及导致界面吸附的表面活性剂的结构因素及分子微环境因素是一直的。因此当表面活性剂溶液浓度达到或超过cmc后，对溶液化学研究而言，意味着界面化学的结束和胶体化学的开始。表面活性剂的亲水基和疏水基的相对强度也可以用基团的体积大小来直观表示如图3所示。这里的体积大小仍然不是代表基团的绝对尺寸比较，而是考虑了离子头排斥和氢键水合分子的影响后的相对强弱。将KZ-1配置为浓度为cmc,将待测岩心浸泡在KZ-1溶液中若干时间。进行电镜分析。图4为润湿反转剂KZ-1浸泡过的岩心。从图4(b)我们可以看出KZ-1在岩心表面有大量的胶束存在，成球状，i径在lOOnm左右。说明KZ-1符合上述所分析的表面活性剂胶束形

7、态以及胶束特征。且在固体表面成规则形状。图4(a)所示为其胶束产生的一些吸附分子层。三、结论本文对润湿反转型快速钻井液体系分子表面作用规律进行了评价。得出如下结论：1.评价了润湿反转型快速钻井液体系分子表面作用规律，通过润湿接触角测定分析发现钻井液体系的润湿接触角在加入钻井液处理剂KZ-1后其cmc时为280；2.KZ-1在固体表面呈现球状胶束规则排列。参考文献[1]杜巧云，高虹•表面活性剂基础及